В качестве какого электрода будет выступать чайник если его покрыть никелем

Обновлено: 16.05.2024

При изучении предыдущего параграфа вы узнали, что в металлах перенос заряда не сопровождается переносом вещества, а носителями свободных зарядов являются электроны. Но существует класс проводников, прохождение электрического тока в которых всегда сопровождается химическими изменениями и переносом вещества. Какова природа электрического тока в таких проводниках?

Природа электрического тока в электролитах. Из опытов следует, что растворы многих солей, кислот и щелочей, а также расплавы солей и оксидов металлов проводят электрический ток, т. е. являются проводниками. Такие проводники назвали электролитами.

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток.

Проведём опыт. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампы накаливания и ванны с дистиллированной водой, в которой находятся два угольных электрода. При замыкании цепи лампа не светится, следовательно, дистиллированная вода не проводит электрический ток. Повторим опыт, добавив в дистиллированную воду сахар. Лампа не светится и в этом случае. Раствор сахара в воде также не является проводником. А теперь добавим в дистиллированную воду небольшое количество соли, например, хлорида меди(II) CuCl₂. В цепи проходит электрический ток, о чём наглядно свидетельствует свечение лампы ( рис. 200 ). Следовательно, раствор соли в воде является проводником электрического тока, т. е. при растворении хлорида меди(II) в дистиллированной воде появились свободные носители электрического заряда.

Изучая химию, вы узнали, что при растворении солей, кислот и щелочей в воде происходит электролитическая диссоциация, т. е. распад молекул электролита на ионы. В проведённом опыте хлорид меди(II) CuCl₂ в водном растворе диссоциирует на положительно заряженные ионы меди Cu 2+ и отрицательно заряженные ионы хлора Cl − .

Ионы Cu 2+ и Cl − в растворе при отсутствии электрического поля движутся беспорядочно. Под действием внешнего электрического поля на беспорядочное движение ионов накладывается их направленное движение ( рис. 201 ). При этом положительно заряженные ионы Cu 2+ движутся к катоду (электроду, подключённому к отрицательному полюсу источника тока), отрицательно заряженные ионы Cl − — к аноду (электроду, подключённому к положительному полюсу источника тока). На аноде будет происходить процесс окисления ионов Cl − до атомов.

Нейтральные атомы образуют молекулы хлора, который выделяется на аноде:

На катоде будет происходить процесс восстановления ионов Cu 2+ до нейтральных атомов и осаждение металлической меди:

Это явление называют электролизом.

Электролиз — процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими при прохождении электрического тока через растворы (расплавы) электролитов.

Таким образом, свободные носители электрического заряда в электролитах — положительно и отрицательно заряженные ионы, которые образуются в результате электролитической диссоциации, а проводимость электролитов является ионной. Электролиты относят к проводникам второго рода.

Почему опасно прикасаться голыми руками к неизолированным металлическим проводам, по которым проходит электрический ток?

Закон электролиза Фарадея. Закон электролиза был экспериментально установлен Фарадеем в 1833 г.

Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:

В формуле (1) коэффициент пропорциональности k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося на одном из электродов при прохождении через электролит единичного электрического заряда. В СИ электрохимический эквивалент измеряют в килограммах на кулон . Значения электрохимических эквивалентов некоторых веществ приведены в таблице.

Таблица ‒ Электрохимический эквивалент вещества Вещество

Вещество	k, 10 -8	Вещество	k, 10 -8
Алюминий	9,32	Никель (двухвалентный)	30,4
Водород	1,04	Никель (трёхвалентный)	20,3
Кислород	8,29	Хлор	36,7
Медь (одновалентная)	65,9	Хлом	18,0
Медь (двухвалентная)	32,9	Цинк	33,9

Поскольку q = It , где I — сила тока, t — промежуток времени прохождения тока через электролит, то

Никелирование изделия двухвалентным никелем осуществлялось в течение промежутка времени t = 20 мин при силе тока I = 15 А . Определите массу слоя никеля, осаждённого на изделии.

Массу m вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит электрического заряда q, можно определить, зная массу m₀ одного иона и число N осевших на этом электроде ионов:

где M — молярная масса выделившегося вещества, N_А — постоянная Авогадро.

Тогда число ионов: .

С другой стороны, число ионов, нейтрализовавшихся на электроде:

где q₀ — заряд одного иона. Так как заряд иона q₀ кратен элементарному заряду e, то q₀ = en , где n — валентность иона.

Сравнивая формулы (2) и (1), получим

Так как N_А и е – универсальные постоянные, то физическую величину в честь М. Фарадея назвали постоянной Фарадея.

С учётом этого формулу (3) для определения электрохимического эквивалента вещества можно записать в виде:

Используя закон электролиза, можно определить значение заряда электрона в школьной лаборатории. Допустим, что I — сила тока, который проходил через электролит в течение промежутка времени t (можно измерить амперметром). При этом на электроде выделилось вещество, масса которого m (можно измерить, взвесив электрод до и после прохождения тока через электролит). Тогда модуль заряда электрона определяют по формуле.

Техническое применение электролиза. Электролиз нашёл различные применения в промышленности. Рассмотрим некоторые из них.

1. Нанесение защитных и декоративных покрытий на металлические изделия (гальваностегия).

Для предохранения металлов от окисления, а также для придания изделиям прочности и улучшения внешнего вида их покрывают тонким слоем благородных металлов (золотом, серебром) или малоокисляющимися металлами (хромом, никелем). Предмет, подлежащий гальваническому покрытию, например, ложку ( рис. 202 ), погружают в качестве катода в электролитическую ванну. Электролитом является раствор соли металла, которым осуществляется покрытие. Анодом служит пластина из такого же металла. Пропуская через электролитическую ванну в течение определённого промежутка времени электрический ток, ложку покрывают слоем металла нужной толщины. Для наиболее равномерного покрытия ложки её необходимо поместить между двумя или более анодными пластинами. После покрытия ложку вынимают из ванны, сушат и полируют.

2. Производство металлических копий с рельефных моделей (гальванопластика).

Для получения копий предметов (монет, медалей, барельефов и т. п.) делают слепки из какого-нибудь пластичного материала (например, воска). Для придания слепку электропроводности его покрывают графитовой пылью, погружают в электролитическую ванну в качестве катода и получают на нём слой металла нужной толщины. Затем, нагревая, удаляют воск.

Процесс гальванопластики был разработан в 1836 г. русским академиком Б. С. Якоби ( 1801–1874 ).

3. Получение металлов из расплавленных руд и их очистка, электрохимическая обработка металлов.

Процесс очистки металлов происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом — тонкая пластина из чистого металла, а электролитом — раствор соли данного металла. Например, пластину из неочищенной меди помещают в качестве анода в ванну с раствором медного купороса, где катодом служит лист чистой меди ( рис. 203 ). В загрязнённых металлах могут содержаться ценные примеси. Так, в меди часто содержатся никель и серебро. При пропускании через ванну электрического тока медь с анода переходит в раствор, из раствора на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.

1. Что называют электролитом?

2. Какова природа электрического тока в электролитах?

3. Какой процесс называют электролизом?

4. Приведите примеры использования электролиза.

5. Сформулируйте закон электролиза. Каков физический смысл электрохимического эквивалента?

6. Через электролитическую ванну, наполненную раствором сульфата меди(II) CuSO₄, пропускают электрический ток. Изменится ли масса меди, выделяющейся на катоде за одинаковые промежутки времени, если увеличить напряжение между электродами? увеличить температуру раствора электролита? увеличить концентрацию раствора электролита? Почему?

Пример 1. Через электролитическую ванну, содержащую раствор серной кислоты, в течение промежутка времени t = 60,0 мин проходил ток. Выделившийся на катоде газообразный водород собран в сосуде вместимостью V = 350 см 3 . Определите температуру водорода, если его давление p = 150 кПа , а сила тока, проходившего через электролитическую ванну, I = 1,20 А .

Дано:
t = 60,0 мин = 3,60 · 10 3 с
I = 1,20 А
V = 350 см 3 = 3,50 · 10 –4 м 3
p = 150 кПа = 1,50 · 10 5 Па

Решение: Для нахождения температуры водорода воспользуемся уравнением Клапейрона‒Менделеева:

где М = 2,02 · 10 -3 — молярная масса водорода, R = 8,31 — универсальная газовая постоянная. Следовательно, . Массу водорода, выделившегося на катоде, определим, воспользовавшись законом электролиза: m = kIt , где k — электрохимический эквивалент водорода ( k = 1,04 · 10 –8 ). С учётом этого температуру водорода рассчитаем по формуле .

Пример 2. Хромирование тонкой прямоугольной пластинки длиной а = 3,0 см и шириной b = 5,0 см в большой гальванической ванне осуществляется в течение промежутка времени t = 2,0 ч при силе тока I = 1,5 А . Определите толщину образовавшегося на пластинке слоя хрома. Плотность хрома ρ = 7,18 · 10 3 .

Дано:
а = 3,0 см = 3,0 · 10 –2 м
b = 5,0 см = 5,0 · 10 –2 м
t = 2,0 ч = 7,2 · 10 3 с
I = 1,5 А
ρ = 7,18 · 10 3

Решение: Для определения массы хрома, осаждённого на двух сторонах пластинки, воспользуемся законом Фарадея: m = kIt , где k = 1,8 ∙ 10 –7 .

С другой стороны, массу хрома можно выразить через плотность ρ и объём V: m = ρV = ρab ∙ 2h , где h — толщина образовавшегося на пластинке слоя хрома. С учётом этого: 2ρabh = kIt , откуда толщина слоя хрома:

Упражнение 25

1. Через водный раствор сульфата меди(II) CuSO₄, находящийся в электролитической ванне, пропускают электрический ток. Определите число атомов меди, ежесекундно осаждающихся на катоде ванны, если сила тока в цепи I = 4,0 А .

2. В процессе электролиза на катоде осаждается двухвалентный никель, образуя слой массой m = 0,15 кг . Определите работу, совершённую электрическим током, если напряжение между электродами электролитической ванны U = 4,0 В .

3. Электроды, находящиеся в растворе сульфата меди(II) CuSO₄, подключены к источнику тока с ЭДС = 12 В и внутренним сопротивлением r = 0,40 Ом . Определите массу меди, осаждённой на катоде за промежуток времени t = 10 мин , если сопротивление раствора между электродами R = 0,60 Ом .

4. При электролизе слабого раствора серной кислоты на катоде электролитической ванны выделился газообразный водород, температура которого t = 22 ºС , давление р = 100 кПа и объём V = 1,5 л . Электролиз проходил при напряжении U = 6,0 В , а коэффициент полезного действия установки η = 75 % . Определите расход электроэнергии.

5. Воздушный шар наполнен водородом, сохраняющим тепловое равновесие с атмосферным воздухом. Небольшое отверстие в нижней части шара обеспечивает практически одинаковое давление газа внутри шара и атмосферного воздуха. Масса тонкой оболочки шара и поднимаемого им груза m = 2,2 · 10 2 кг . Какой электрический заряд при электролизе потребовалось бы пропустить через слабый раствор серной кислоты, чтобы получить необходимую массу водорода? Как долго продолжался бы такой процесс при силе тока I = 0,15 кА ? (Ответ: q ≥ 1,6 · 10 9 Кл ; τ_min = 4,1 месяца .)

Но для большинства читателей интересен ответ на простой вопрос: Какой электрочайник выбрать? Попробую дать 6 простых советов:

Выбирайте чайник с корпусом из нержавеющей стали
Выбирайте чайник без водомерного стекла
Выбирайте чайник, у которого крышка покрыта нержавеющей сталью, и желательно, чтобы крышка закрывалась под собственным весом.
Выбирайте чайник, на разъеме которого написан производитель Otter или Strix.
Выбирайте чайник, дно которого ровное, и отражение не искажается, как в кривом зеркале.
Если вы выбираете модель с компоновкой, имеющей паропроводящую трубку, обратите внимание, чтобы она была приварена к дну, а не входила в дно через прокладку.

Я попробовал сделать видео версию поста, если вас утомляет текст, то можно посмотреть на меня в записи (ну и подписаться на мой канал):

Итак, разберемся, откуда и почему взялись эти советы.

Корпуса электрочайников изготавливают из пластика, из металла и из стекла. В посте “Почему текут чайники?” я уже упоминал фундаментальный недостаток всех электрочайников, у которых колба изготовлена не из нержавеющей стали – такой чайник содержит уплотнительную прокладку, которая закрывает постоянно меняющийся от температуры зазор.

Та самая прокладка.

Со временем прокладка будет терять эластичность, что приведет к появлению течи. Причем если прокладка у пластиковых чайников скрывает зазор, который увеличивается с ростом температуры, то у чайников с колбой из стекла, из-за иного коэффициента температурного расширения, зазор наоборот уменьшается с ростом температуры, что в сумме с плохой прочностью стекла на растяжение может привести к разрушению колбы.

Если же корпус изготовлен из нержавеющей стали, то проблемы с прокладкой нет, стенки просто напрямую приварены (или завальцованы) к дну. Особенно хороши чайники с цельнотянутой колбой – у такого чайника нет границы между дном и стенками, он сделан единой деталью с закруглением, как кастрюлька. Такие чайники ломаются как угодно, но не текут.

Причем не обязательно, что чайник с корпусом из нержавеющей стали будет снаружи блестеть металлом, есть модели, где колба из нержавеющей стали одета в наружный корпус из пластика, что снижает его температуру (обжечься таким чайником при прикосновении сложнее), замедляет его остывание и позволяет дизайнеру поразвлекаться с эстетикой.

Как свести на нет преимущества чайника с корпусом из нержавеющей стали? Прорезать его стенку и вставить прозрачное водомерное стекло. В итоге все преимущества п.1 сводятся на нет – появляется прокладка, которая потечет, только не между дном и стенками а между стенками и стеклом.

Если бы не водомерное стекло – эти чайники прослужили бы еще.

Причем протечки по водомерному стеклу характерны не только для чайников с колбой из нержавеющей стали – пластик водомерного стекла деградирует и покрывается трещинами, через которые начинается утечка.

Именно крышка – самая термически нагруженная деталь чайника – она постоянно контактирует с горячим паром, который действует разрушительно на пластики, вызывая их деградацию. Пластик покрывается трещинами, начинает крошиться, попадать в воду. Это не опасно для здоровья, но не приятно.

Покрытие крышки нержавеющей сталью значительно уменьшает контакт пластика с паром, что продлевает срок службы чайника. К сожалению я не встречал бытовых моделей чайников, где бы крышка и элементы шарнира были полностью металлическими, обычно это пластик и штампованная крышечка из нержавейки.

Также важный момент – избегайте подпружиненных крышек. Да, удобно наполнять такой чайник одной рукой – нажал кнопку – крышка открылась. Но защелка имеет свойство ломаться (помним – там пар, разрушающий пластик), и когда она ломается чайник теряет функциональность – он не может автоматически отключиться с открытой крышкой. Пути в таком случае два – или на свалку, или постоянно чем-то придавливать крышку. Причем есть прекрасные надежные защелки, а есть отвратительные, и достаточно сложно отличить одно от другого.

Если же крышка способна закрыться под собственным весом – то проблемы неотключающегося чайника в принципе не возникнет.

Выбирайте чайник с автоматикой от Otter или Strix.

Как я писал в посте “как чайники стали меньше убивать” так сложилось, что большую часть рынка автоматики электрочайников в развитых странах поделили между собой две компании: Strix и Otter. Производители чайников просто закупают автоматику у вышеназванных фирм.

Логотипы двух уважаемых британских компаний.

Если же производитель хочет максимально снизить себестоимость (что само по себе обычно ничем хорошим не заканчивается), то закупает автоматику у китайских производителей (jitai, sunlight, zuanbao и т.д.). У альтернатив пластик по хуже, контактные пары чаще оплавляются, а иногда вместо двух биметаллических расцепителей от перегрева – всего один (т.е. нет дублирования защиты от перегрева).

Выбирайте чайник, дно которого ровное.

Один из способов экономии – экономия на толщине металла, вместо стенок 0,5 мм стали можно сделать их 0,25 мм. Работать будет, но прочность будет ниже, да и экономия часто на этом не заканчивается.

Часто определить толщину материала можно по отражению в дне – если сталь тонкая, то её ведёт, и отражение в дне как в мятом ведре. Если же отражение ровное – то и толщина стали больше. Как правило у чайников с ровным дном толщина алюминиевого теплораспределяющего слоя больше.

Если вы выбирете чайник с расположением выключателя внизу, то такой чайник имеет паропроводящую трубку, которая торчит из дна. Хорошие производители приваривают такую трубу к дну, что требует наличия специализированного оборудования. Производители попроще, вместо сварки просто вставляют трубку через силиконовую прокладку (а как-то мне попадался чайник где трубка была из алюминия, а не из нержавейки – в ней коррозия проела дыру насквозь). Такой чайник когда-нибудь потечет через прокладку. Поэтому загляните в чайник, между трубкой и дном не должно быть никаких прокладок.

Уход за чайником.

Есть два важных момента, про которые хочу сказать, так как всё-равно инструкции никто не читает.
Первое – чайник нужно чистить от накипи. Лимонной кислотой, антинакипином, чем угодно – растворять накипь нужно. Толстый слой накипи работает так теплоизолятор, из-за чего нагрев дна становится неравномерный, что может привести к появлению трещин.

Второе. Не ставьте чайник в раковину, когда заполняете. Внизу у чайника разъем, через который проходят весьма солидные токи, для такого маленького размера контактов. Когда в разъем попадает вода – металл окисляется, что ведет к росту переходного сопротивления, что приводит к росту нагрева и в конечном счете расплавлению пластика разьема.

Коррозия у чайника который постоянно стоял в луже. Коррозия не способствует надежной работе контактов.

Так какой чайник хороший? Скажи уже модель!

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Всем привет! Цель статьи заключается в том, чтобы показать процесс никелирования со всех возможных сторон. А именно, как добиться высокого качества покрытия, не слишком потратится на расходные материалы и безопасно произвести гальванические работы. Мы также по возможности изготовим свой собственный электролит с нуля, вместо того, чтобы покупать специальные химические реактивы.

Если вы уже знакомы с процессом омеднения, отметьте следующее, что данный процесс имеет существенные отличия. Никель не очень хорошо растворяется (если вообще растворяется) в уксусе без специальных активаторов.

Никелирование можно использовать во множестве случаев, например:

Создать антикоррозионное покрытие, что защитит основной металл от окисления и коррозии. Его часто используют в пищевой промышленности, для предотвращения загрязнения пищевых продуктов железом.
Увеличить твёрдость покрываемого предмета и таким образом повысить долговечность деталей механизмов и инструментов.
Помочь при спаивании разных металлов.
Создать всевозможные варианты красивых декоративных отделок.
Значительная толщина покрытия, может сделать предмет магнитным.

Примечание: Чтобы получить различные виды покрытий (на вид и по свойствам), вам будет нужно добавить дополнительные химические реактивы и металлы для получения желаемого результата. Реактивы изменят пути размещения атомов относительно себя и/или добавляют другие металлы в наносимое покрытие. Если вам нужно получить антикоррозийное покрытие, не добавляйте никаких химических реактивов в электролит, так как они могут оставить на покрытии пятна или сделать его тусклым.

Почти все расходные материалы можно найти в ближайшем супермаркете. Найти источник чистого никеля немного сложнее, но он не будет стоить больше, чем пару долларов. Также настоятельно рекомендую найти блок питания (AC/DC).

Материалы:

Купить две пластины никеля на eBay за ~$5;
В хорошем строительном магазине можно найти никелированные сварочные электроды;
Большинство музыкальных магазинов продают никелированные гитарные струны.

Кроме этого можно воспользоваться никелированными дверными ручками. Я советовал бы с опаской относиться к этому варианту. Всё из-за того, что существует хороший шанс того, что они просто покрыты никелиподобным покрытием.

Настоятельно рекомендую приобрести:

Высоковольтный блок питания (постоянное напряжение). В проекте использовал старый 13.5В зарядник для ноутбука. Можно использовать зарядки для мобильных телефонов или же старый компьютерный блок питания.
Держатель предохранителя;
Простой проволочный предохранитель, рассчитанный на приграничные условия эксплуатации выбранного вами блока питания.

Моя версия стенда довольно сырая, зато она эффективная. Вы можете (и возможно следует) сделать небольшой ящик с банкой, предохранителем и двумя клеммами, что выведены наружу, к которым присоединены крокодильчики для подключения к блоку питания.

В случае, если будете использовать зарядку для мобильного телефона, вам будет нужно выполнить следующие действия:

Отрезать бочкообразный штекер.
Разделить два провода и укоротить один из них на 5-8 см. Это поможет предотвратить случайное короткое замыкание.
Зачистить от изоляции около 6 мм проводов.
Припаять к одному из них держатель предохранителя и установить в него предохранитель.

В том же случае, если вы будете использовать зарядку для ноутбука будет нужно выполнить следующее:

Намного более сложнее превратить компьютерный блок питания в настольный БП. Поисковик вам в помощь, вы наверняка найдёте пару статей, в которых всё подобно расписано.

Примечание относительно полярностей

В принципе, можно приобрести различные соли никеля, но в этом же нет духа изобретателя. Я покажу, как можно изготовить ацетат никеля, намного дешевле, чем покупать хим. реактивы в магазине.

Заполним банку дистиллированным уксусом, оставив около 25 мм от верха. Растворим немного соли в уксусе. Количество соли не так важно, но не стоит перебарщивать (щепотки должно хватить). Причина, по которой мы добавляем соль, кроется в том, что она увеличивает электропроводность уксуса. Чем больше величина тока, что протекает через уксус, тем быстрее мы сможем растворить никель. Однако, слишком большая величина тока, приведёт к тому, что толщина покрытие будет нещадно низкой. Всё нужно делать с экономией.

В отличии от меди, никель не превратится в электролит, просто полежав некоторое время. Нам нужно растворить никель электричеством.

Вокруг источника никеля, что соединён с отрицательным выводом начнут образовываться пузырьки водорода, а вокруг положительного — пузырьки кислорода. Говоря по правде, очень небольшое количество газообразного хлора (от соли) также сформируется на положительной клемме, но если вы не положили значительное количество соли или используете невысокое напряжение, то концентрация хлора, что растворяется в воде, не будет превышать допустимые пределы. Проводить работы следует на улице или в хорошо проветриваемом помещении.

ПРИМЕЧАНИЕ. Некоторые металлы, такие как нержавеющая сталь, не допускают прямого никелирования. Сначала будет нужно создать промежуточный медный слой.

Итоговый результат будет зависит от чистоты поверхности, на которую будет наноситься никелевое покрытие. Даже если поверхность выглядит чистой, всё равно нужно её очистить (мылом или чистящим средством в состав которого входит кислоты).

Большие поверхности можно очистить тонкой стальной щёткой и уксусом.

В этом шаге в качестве источника питания будет использоваться 6В батарея. Более низкое напряжения (примерно в 1 В) позволит добиться лучшего, более блестящего и более гладкого покрытия. Для гальванопокрытия можно использовать источник питания более высокого постоянного напряжения, но полученный результат будет далек от идеала.

Поместим источник никеля в раствор ацетата никеля и подключим его к положительному выводу батареи. Закрепим другой зажим на объекте, который будет никелироваться и подключим его к отрицательному выходу аккумулятора.

Раствор вокруг объекта должен пузыриться.

Никель не окисляется при комнатной температуре и не тускнеет. Можно слегка отполировать поверхность, чтобы получить яркий блеск.

Если никелирование не такое блестящее, как хотелось бы, отполируйте его средством, которое не содержит воска или масла, а затем снова проведите гальванику покрытие.

Добавление небольшое количество олова во время первоначального покрытия, изменит цвет (олово даёт цвет белого металла, такого как серебро). Многие металлы могут быть электрически растворены в уксусе, как никель. Два основных металла, которые не могут быть электрически растворены в уксусе, — это золото и серебро (поверьте, я пробовал). С прошлого эксперимента у меня осталось немного медного электролита, который я смешал с раствором никеля. Результат — матовая, темно-серая, очень твердая поверхность, которая похожа на школьную доску.

Если вы не опытный химик, будьте очень осторожны, добавляя случайные химические вещества к гальванической ванне — вы можете запросто создать какой-то токсичный газ…

В статье авторы исследовали влияние состава электролита и режима электролиза на выход по току никеля.

Ключевые слова : никелирование, выход по току, электролит, плотность тока.

Характерной чертой развития современной гальванотехники является стремительный рост ее в разных областях производства. За последние годы непрерывно с возрастающей скоростью разрабатывается новая технология гальванопокрытий, имеющих различные механические и физико-химические свойства.

В гальванотехнике одним из распространенных процессов является никелирование. Довольно часто никелем покрывают различные изделия, например для того чтобы защитить цветные металлы, для художественной отделки, для увеличения сопротивления механическому износу и других различных целей.

Наружные части автомобилей, различные аппараты, хирургические инструменты, предметы быта — все это также покрывают никелем.

Никель имеет свойство пассивироваться в атмосфере, щелочной среде и некоторых органических кислотах, именно поэтому никелевые покрытия имею высокую коррозионную устойчивость в этих средах.

Двойная соль NiSO ₄ * (NH ₄ ) ₂ SO ₄ использовалась при приготовлении первых электролитов никелирования.

Из-за низкой плотности тока (0,3–0,4 А/дм 2 ) и склонности к отслаиванию полученных осадков данные электролиты не нашли широкого применения, даже несмотря на свою хорошую рассеивающую способность.

В 1913 году профессор Уоттс предложил электролит, который содержит в своем составе NiSO ₄ , NiCl ₂ и буферную добавку H ₃ BO ₃ . Электролиты типа Уоттса получили широкое применение в гальванотехнике благодаря хорошим физико-механическим свойствам получаемых осадков, высокой концентрации солей никеля и высокому выходу по току.

Кроме электролитов типа Уоттса в промышленности применяют хлоридные, сульфаматные, борфтористоводородные электролиты.

Так как процесс никелирования чрезвычайно чувствителен к изменению кислотности раствора, то одной из важных задач является поддержание ее постоянства. Кроме того, при никелировании скорость процесса обычно ограничена ухудшением качества осаждения из-за образования и включения основных соединений никеля в осадок, который образуется на катоде. Поэтому интенсификацию процесса электроосаждения никеля можно провести путем введения в электролит буферных добавок, а также использованием новых электролитов с хорошими буферными свойствами.

В процессе никелирования на катоде одновременно разряжаются ионы никеля и водорода, причем скорость их разряда значительнее, чем скорость доставки ионов водорода. Происходит подщелачивание прикатодного слоя и достигается pH гидроксидообразования. Поэтому процесс электроосаждения никеля чрезвычайно чувствителен к изменению кислотности электролита. Величина pH в объёме электролита обычно находится в интервале 3,5–6,3. В очень кислой среде осаждение никеля невозможно, так как на катоде практически выделяется один водород. Превышение верхнего допустимого предела pH приводит к образованию гидроксида и основных солей никеля, включение которых в металлический осадок является основной причиной ухудшения качества покрытий [1].

Электролиты, никелирования значение рН которых ≤ 1, можно назвать сильнокислыми. Никелевые покрытия из таких электролитов осаждаются только при высоких плотностях тока с выходом по току, принимающего значение не более 10 %. При использовании умеренных плотностей тока по мере того, как растет pH потенциал, выделения водорода принимает значение менее положительной области, тогда на катоде создаются условия, при которых совместно выделяются водород и никель. Из растворов, величина pH которых близка к нейтральным, на катоде образуется гидроксид никеля, который, включаясь в никелевые осадки, делает их шероховатыми и хрупкими [2].

В качестве катодов для электроосаждения никеля применяли медные образцы. Катоды имели размеры 10×10 мм, причем покрытие наносили с двух сторон, поэтому общая площадь покрытия составляла S=0,02 дм 2 . Для изготовления медных образцов использовали медную фольгу (δ=0,29 мм). Толщину фольги измеряли с помощью микрометра МК 0–25 мм.

Перед нанесением никелевого покрытия медные образцы обезжиривали венской известью, тщательно промывали дистиллированной водой (t=18–25 о С; τ=1–2 мин), активировали в H ₂ SO ₄ концентрацией 30 г/л (t=18–25 о С; τ=1–2 мин) с последующей промывкой в дистиллированной воде, сушили, взвешивали на аналитических весах марки ВЛР-200 г с точностью ±0,00005 г и, непосредственно перед погружением в электролит еще раз активировали в H ₂ SO ₄ концентрацией 30 г/л (t=18–25 о С; τ=1–2 мин) с промывкой дистиллированной водой.

Выход по току никеля определяли гравиметрическим методом. Электролиз проводили в стеклянной цилиндрической ячейке с рубашкой, вместимостью 0,4 л, объем электролита составлял 0,3 л. Электролиз вели при постоянной температуре 50±1 0С, поддерживаемой с помощью термостата марки LTTWC/11. В качестве анодов использовали пластины из металлургического никеля, помещенные в чехлы из полипропиленовой ткани во избежание загрязнения электролита анодным шламом. Площадь катода равна 0,045 дм 2 (57 × 8 мм). Время электролиза регистрировали с помощью секундомера. После электролиза образец промывали, сушили и взвешивали на аналитических весах с точностью ± 0,0001 г.

Время электролиза рассчитывается по формуле:

где ρ _Ni — плотность никеля, г/см 3 (для никеля 8,9 г/см 3 );

δ — толщина покрытия, cм;

q — электрохимический эквивалент Ni, г/(А•ч) (для никеля 1,1 г/(А•ч));

i — плотность тока, А/см 2 ;

BT — выход по току (при расчёте времени принимаем за 100 %).

Выход по току определялся по привесу массы осажденного покрытия по формуле:

m _пр — масса осаждённого никеля, рассчитанная по разнице масс образца- катода до и после электролиза, г;

m _теор — масса осаждённого никеля, рассчитанная по формуле:

где i _k — плотность тока, А/см 2 ;

q — электрохимический эквивалент Ni, г/А•ч;

S — площадь образца, см 2 ;

τ — время электролиза, ч.

Важнейшими показателями разрабатываемых процессов никелирования с пониженной концентрацией ионов металла являются значения допустимых катодных плотностей тока(i _доп ) и катодного выхода по току никеля (BT _Ni ). За допустимые катодные плотности тока принимали значения плотностей тока, при которых осадки никеля получаются хорошего качества, без образования губки и дендридов, а также без включения гидроксидов по краям плоского образца, без видимых дефектов на поверхности покрытия.

В результате проведенных экспериментов были получены следующие результаты (таблица 1)

Читайте также: